长玻纤增强聚丙烯制品的性能影响因素分析

张洪雨，张毅，林子皓，刘源，陈方军

重庆海德世拉索系统(集团)有限公司，重庆 401120

0 引言

玻纤增强聚丙烯材料是在聚丙烯树脂中加入一定量的玻纤及其他助剂而制成，该类材料力学性能好、成本低且成型加工便利，常被应用于汽车零部件和家用电器零部件。常规的玻纤增强聚丙烯材料主要有三类：玻纤毡增强聚丙烯(GMT-PP)、短玻纤增强聚丙烯(SGF-PP)和长玻纤增强聚丙烯(LGF-PP)。GMT-PP是将玻纤毡与聚丙烯进行复合而成的片层材料，片层材料的制备和制品的成型过程是分开进行，所以加工成本较高，但加工过程中极少造成玻纤的断裂。SGF-PP是将熔融树脂和短切玻纤进行复合，该材料是应用最早也是较为成熟的材料，但玻纤长度较短，不适用于性能要求高的结构件，而LGF-PP因其成型后会保留更长玻璃玻纤，所以相比于SGF-PP而言增强效果更好，且具有比强度更高、抗冲击性更强、耐蠕变性更好、尺寸稳定性高、低翘曲等优点，所以LGF-PP材料更容易实现薄壁轻量化，广泛应用于汽车领域要求较高的中大型零部件，如门模板、仪表板骨架、天窗框架等，LGF-PP是目前玻纤增强聚丙烯复合材料的一个重要方向，也是文中讨论的对象。

1 LGF-PP的制造工艺

图1为SGF-PP粒料和LGF-PP粒料的结构示意。

图1 SGF-PP粒料和LGF-PP粒料的结构示意

SGF-PP粒料长度约为3 mm，长度为1～2 mm的短玻纤作为弥散增强相均匀分布在树脂中，SGF-PP的制造流程和其他短玻纤增强热塑性聚合物类似，都是将短切原丝与熔融树脂直接混合、塑化，并添加其他助剂后，通过挤出机挤出、冷却、切粒而成。而LGF-PP的制造工艺不同，行业内主流的LGF-PP的生产工艺如图2所示，为了保留材料颗粒中玻纤的有效长度，不预先切断玻纤，而是直接牵引玻纤纱经分散、浸滞在熔融的聚丙烯树脂中，然后聚丙烯树脂包裹着浸润好的玻纤束通过特定的口模，再经冷却、牵引、切割成长度为10～25 mm的粒料，其中玻纤长度和粒料的长度相等。

图2 LGF-PP的生产工艺

2 长玻纤的增强原理

玻纤增强树脂基复合材料中，树脂呈连续相，负责力的传递，而玻纤作为分散相主要承担力的承载作用。LGF-PP的综合性能优于SGF-PP，其主要原因是LGF-PP注塑加工后制品中玻纤保留的长度更长。LGF-PP的增强原理可以从破裂失效(图3)的角度进行理解，主要由聚丙烯树脂基材的性能失效、玻纤自身的性能失效以及玻纤与聚丙烯树脂界面结合失效等原因引起的。

图3 长玻纤增强材料破裂微观示意

连续相的聚丙烯树脂本身具有一定强度，树脂撕裂后会引起纤维断裂、纤维脱出、纤维桥架解散和玻纤与树脂剥离一系列反应，最终导致材料的破裂失效。与SGF-PP相比，相同质量分数的玻纤增强材料制品在破裂时，长玻纤材料制品中的玻纤长度更长，玻纤的断裂会吸收能量从而提升强度，而短玻纤材料制品中的玻纤由于长径比较大，再次发生断裂的概率更小。其次，玻纤长度较长则单位体积树脂内玻纤的端部数量更少，导致应力集中点减少，从而减少裂纹的引发点。此外，长玻纤制品中的玻纤会相互缠结、翻转，形成玻纤桥架，而不像SGF-PP成型时短玻纤会沿着流动的方向排列，因此长玻纤提升强度的同时会使得材料的各向同性程度高、翘曲较小。制品中玻纤长度越长，玻纤脱出和与基材剥离也会消耗更多能量，提升强度。

在LGF-PP的树脂与玻纤浸滞状况良好且接枝剂相同的情况下，保证加工过程中玻纤均匀地分布于聚丙烯树脂中，可得到性能优异的制品。有研究表明：随着玻纤平均长度增长，材料的强度、刚性越大；玻纤长度分布越均匀，材料的韧性越好。

3 玻纤断裂的因素

理解长玻纤增强材料中玻纤断裂的行为，对于改善玻纤的断裂程度具有重要的意义。LGF-PP在加工过程中主要是由于3个方面的相互作用导致玻纤的断裂：玻纤和玻纤的摩擦剪切作用，玻纤和熔融树脂之间的摩擦剪切作用以及玻纤和成型系统之间的摩擦作用。

对于玻纤和玻纤之间的摩擦剪切作用造成玻纤断裂，通过增加玻纤的初始长度，可以在一定程度上提高制品中玻纤的保留长度，但改善效果有限；还可通过降低玻纤填充的比例，以减少玻纤与玻纤之间的摩擦和剪切，最终降低玻纤的断裂程度，相反，增加玻纤填充比例会增加玻纤断裂程度，有研究表明：长玻纤复合材料的力学性能随玻纤用量的增加出现先增大后减小的趋势，即玻纤含量小于50%时，玻纤含量对力学性能的增强效果优于改善玻纤保留长度的增强效果，玻纤含量越多，力学性能越好；玻纤含量为50%时，材料的力学性能基本达到峰值，玻纤用量继续增加时，则玻纤断裂加剧，力学性能出现衰减。玻纤和熔融树脂之间的相互作用是影响玻纤断裂的主要因素，即熔融树脂在流动过程中对玻纤的剪切作用，这种剪切力会使得玻纤剧烈被剪断，具体表现为熔体黏度越低，玻纤更容易分散、浸润在熔体中，受损伤程度减小，就可在制品中保留比较长的长度。此外，升高聚合物熔体的温度，熔体的黏度就会降低，玻纤的保留长度也会增加。对于玻纤和成型系统之间的摩擦作用，主要是玻纤与螺杆、料筒、流道和模具之间的摩擦，模具设计上，增加流道的尺寸和模具模口的尺寸，可以在一定程度上减少玻纤断裂；注塑工艺上，降低螺杆的转速、注射速率和保压压力也能在一定程度上降低玻纤的断裂。

4 熔接线区域性能的影响

LGF-PP和其他材料一样，用于多浇口的大型零部件注塑成型时，两股或多股熔体相遇的地方会形成熔接线，熔接线区域的玻纤取向和熔体连接都与单股料流区域不同，特别是玻纤取向，在熔接线区域的玻纤朝着流动方向较少，而大部分都指向流动垂直方向排列，玻纤间相互穿插和缠结也较少，大大减少玻纤桥架的增强作用，所以熔接线区域的强度一般为单股料流区域的10%～90%。制品的力学性能是靠玻纤和树脂的共同作用，熔接线区域中的玻纤分布使其对力学性能的贡献减弱，树脂的力学性能贡献占比就提升了，所以熔接线区域性能会倾向聚丙烯树脂的性能。LGF-PP中聚丙烯树脂的黏度等级的选择、均聚和共聚的选择或配比、注塑时料筒温度的设置等，都是影响制品熔接线区域性能的关键因素。虽然降低树脂的熔体黏度可有效改善玻纤的长度，但降低熔体黏度也会一定程度上影响树脂基材的力学性能，进而影响制品熔接线区域的性能，所以调整聚丙烯树脂的熔体黏度时需要保证熔接线区域的强度，不能单方面追求制品中玻纤长度而降低聚丙烯树脂的黏度等级或者提高料筒的熔融温度，而熔接线区域的力学性能可以用熔接线专用模具注塑材料样条进行测试确认。

5 玻纤长度的表征方法

LGF-PP制品中玻纤长度的表征先要将玻纤从树脂基体中分离出来，一般采用马弗炉灼烧法在600 ℃将制品进行燃烧，直至有机物完全分解，再取少量燃烧后的样品放入有蒸馏水的烧杯中，轻微摇晃，再将适量的混合玻纤溶液倒入培养皿中。LGF-PP制品中玻纤的长度分布较宽，较长部分在1～15 mm都存在，测量的数目越多，得到的样本越准确，所以玻纤的测量和统计分析十分重要，目前采用自动成像分析法技术是最快和最有效的。

(1)

(2)

研究LGF-PP制品中玻纤的长度分布对制品力学性能的影响，数均统计法计算的结果会由于很细碎的那部分玻纤导致整个结果变得很低或者玻纤样本之间差距不明显，而较长的那部分玻纤更值得关注，重均统计法则可避免这种情况，重均长度和重均临界长度比例都是突出长度较长部分玻纤的作用，所以重均统计法比数均统计更适用。另外，重均长度与数均长度的比值是表示纤维长度分布宽度的系数，比值越大，所测玻纤样本的长度分布越宽；比值越小，所测玻纤样本的长度分布越窄。

6 结束语

LGF-PP制品中玻纤断裂、玻纤端部脱出、玻纤与基材剥离都会吸收能量，加上玻纤的端部数量少和形成的玻纤桥架共同赋予LGF-PP优异的性能。而影响制品中玻纤断裂的主要因素是聚丙烯树脂熔体对玻纤的剪切摩擦作用，选材上降低聚丙烯的黏度等级和注塑时提高料筒的熔融温度都可以改善聚丙烯熔体的黏度，进而有效改善玻纤的保留长度，但与此同时需要确认熔接线区域强度，才能保证制品整体的力学性能。LGF-PP制品中玻纤长度的表征方法采用重均统计法比数均统计法更好。